Alles auf Quantencomputer!: Warum es lohnt, auf die Schlüsseltechnologie zu setzen

- Global Challenges ist eine Marke der DvH Medien. Das neue Institut möchte die Diskussion geopolitischer Themen durch Veröffentlichungen anerkannter Experten vorantreiben. Heute ein Beitrag von Prof. Dr. Ann-Kristin Achleitner, Inhaberin des Lehrstuhls für Entrepreneurial Finance an der TU München. Weitere Autoren sind Sigmar Gabriel, Günther Oettinger, Prof. Jörg Rocholl PhdD, Prof. Dr. Bert Rürup und Prof. Dr. Renate Schubert.

Stellen wir uns vor, der Nikolaus wollte die kürzeste Route einer Rundreise ermitteln, auf der er Kinder mit Geschenken erfreuen möchte. Könnte ein Computer ihm dabei helfen?

Informatiker bezeichnen diese Frage als „Problem des Handlungsreisenden“, das zur Klasse der „NP-vollständigen“ Probleme gehört. Das heißt: Selbst die leistungsfähigsten Computer und die beste Software stoßen bei der Suche nach einer Lösung schnell an ihre Grenzen – und zwar was die Rechenzeit betrifft.

Die Komplexität des Problems resultiert daraus, dass die Zahl denkbarer Reiserouten explosionsartig wächst, je mehr Zwischenziele der Nikolaus ansteuern will. Während bei fünf Stationen zwölf verschiedene Routen infrage kommen, sind es bei zehn Stationen schon 181 440. Bei elf Stopps gibt es 1,8 Millionen und bei zwölf Stationen bereits 20 Millionen unterschiedliche Wegstrecken. Bis zu diesem Punkt könnte ein moderner Computer gerade noch die kürzeste Route berechnen. Aber schon bei 20 Stopps müsste das Programm viele hundert Jahre lang laufen, um zu einer Lösung zu kommen. Abhilfe schaffen könnte eine neue Schlüsseltechnologie: der Quantencomputer.

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Quantencomputer machen sich bestimmte quantenmechanische Effekte zunutze, wodurch sie bei speziellen Aufgaben einen enormen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber klassischen Computern erreichen. So ist es etwa japanischen Forschern vergangenes Jahr gelungen, mithilfe eines speziellen Quanten-Chips ein Handlungsreisenden-Problem mit 22 Stationen zu lösen, für das ein Hochleistungsrechner mehr als tausend Jahre benötigt hätte.

Quantencomputer können auch bei KI helfen

Die Suche nach kürzesten Wegen hat dabei unzählige praktische Anwendungen von der Routenplanung für Paketdienste und Flugzeugflotten, der Optimierung von Lieferketten und Verkehrsflüssen, über das Design von Mikrochips, die Übertragung von Datenpaketen in Telekommunikationsnetzwerken bis hin zur Genom-Sequenzierung. Quantencomputer können ihre Überlegenheit aber nicht nur bei speziellen Optimierungsproblemen ausspielen, wie dem Problem des Handlungsreisenden oder bei Portfolio-Entscheidungen im Finanzsektor, sondern auch bei komplexen Simulationen (zum Beispiel von Molekülen für biochemische Anwendungen) und im Bereich der Künstlichen Intelligenz (zum Beispiel zur Mustererkennung auf Basis neuronaler Netze).

In allen großen Wirtschaftsräumen – USA, China, Europa – hat man die strategische Bedeutung der neuen Quantentechnologien erkannt, zu denen neben Quantencomputern auch die Quantenkommunikation und die Quantensensorik zählen. Als Querschnittstechnologien beeinflussen sie derart viele Wirtschaftszweige, dass kein Industrieland sich einen technologischen Rückstand leisten kann. McKinsey hat kürzlich die globale Wettbewerbssituation untersucht.

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Demnach haben in den vergangenen zehn Jahre sowohl die USA (rund 2,1 Milliarden) als auch Großbritannien (981 Millionen) und Kanada (658 Millionen Dollar) deutlich mehr in Quantentechnologien investiert als die EU (294 Millionen). Dabei spielten vor allem private Wagniskapitalinvestitionen eine Rolle: sie machten mehr als die Hälfte der Gesamtinvestitionen aus. Seit 2019 sind die weltweiten Investitionen sprunghaft angestiegen.

Bei Patenten sind China und Japan Spitze

Bei den staatlichen Mitteln, die in Zukunft für Quantentechnologien bereitgestellt werden sollen, liegt die EU mit angekündigten 7,2 Milliarden Dollar (davon rund drei Milliarden aus Deutschland) auf Rang zwei hinter China (15 Mrd.) und vor den USA (1,3 Mrd.). Bei den Patenten sind chinesische und japanische Erfinder Spitze. Bei wissenschaftlichen Veröffentlichungen steht dagegen die EU auf Rang eins, knapp vor China. Am häufigsten zitiert werden allerdings amerikanische Veröffentlichungen. Über die größten Talentpools gemessen an Hochschulabsolventen in einschlägigen Disziplinen verfügen Indien, die EU und China.

Was die Anwenderindustrien betrifft, sehen Experten das größte Disruptionspotenzial für Quantencomputer in der Chemie- und Pharmaindustrie. Dort könnten Simulationen molekularer Prozesse etwa die Medikamentenentwicklung drastisch beschleunigen. Ansonsten forciert vor allem die Telekommunikationsindustrie erste Anwendungen, unter anderem gefolgt von der Finanz-, Automobil- sowie der Luftfahrt- und Verteidigungsindustrie.

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Dagegen befinden sich Versicherungen, Transport-, Logistik- und Energieunternehmen häufig noch in vorwettbewerblichen Erprobungen. Im Gesundheitswesen und im öffentlichen Sektor sind bislang kaum Aktivitäten bekannt.

Worauf kommt es aus deutscher Perspektive jetzt an, um auf lange Sicht zu den Gewinnern der Quantenrevolution zu gehören? Ich sehe drei Schwerpunkte.

Erstens: Die Anwenderindustrien sollten Quantencomputing bereits jetzt gezielt in ihr Geschäft integrieren. Schon heute lassen sich Quantenalgorithmen in der Praxis gewinnbringend einsetzen. Technisch basieren viele Anwendungsfälle noch auf Übergangslösungen, die Quanten- und konventionelle Rechensysteme kombinieren. Die Einstiegshürden sind dabei vergleichsweise niedrig: Die Leistungen können über die Cloud bezogen werden und erfordern von den Nutzern keine eigenen Hardware-Investitionen. Der frühe Einstieg in das Thema ist wichtig, um sich Wettbewerbsvorteile zu verschaffen, aber auch, um sich schon einmal warmzulaufen in der Quantenwelt, bevor es zu einem Durchbruch bei leistungsfähiger Quantencomputing-Hardware kommt.

Ausnahmsweise könnte ein breiter Förderansatz richtig sein

Zweitens: Die Bundesregierung sollte ihre Förderinitiativen stärker koordinieren, um Synergien etwa zwischen den Programmen des Forschungs- und des Wirtschaftsministeriums gezielter zu nutzen. Diese Bündelung der Kräfte sollte im Schulterschluss mit dem Industriekonsortium „Qutac“ erfolgen, das industrielle Anwendungen des Quantencomputings zur Marktreife bringen will. Überdenken sollte die Regierung ausnahmsweise auch den sehr breiten Ansatz der Technologieförderung.

Aus heutiger Sicht ist zwar noch nicht sicher, welche technische Plattform sich bei Quantencomputern durchsetzen wird. Eine Förderung nach dem Gießkannenprinzip birgt jedoch die Gefahr, dass sie bei keiner Technologie die kritische Masse für entscheidende Durchbrüche erreicht. Zudem brauchen wir eine Ausbildungsoffensive, die neben theoretischen Grundlagen vor allem auch anwendungsrelevante Kompetenzen adressiert.

Drittens: Deep-Tech-Startups spielen eine entscheidende Rolle für das Quanten-Ökosystem – auch wenn die mediale Aufmerksamkeit bislang vor allem den amerikanischen IT-Konzernen gilt. Wagniskapitalinvestitionen in diesem Bereich erfordern viel Geduld und tiefe Taschen.

Der Staat kann das Engagement privater Investoren flankieren, sollte sich aber nicht allein auf die Rolle des Förderers beschränken. Mindestens genauso wichtig wäre es, dass er selbst zu den ersten Kunden der neuen Schlüsseltechnologien gehört und damit der Quantenrevolution den entscheidenden Schub gibt. Wir haben in Deutschland und Europa jetzt die einmalige Chance, unsere starke Position in der Forschung auch in wirtschaftliche Stärke und einen nachhaltigen Wettbewerbsvorteil umzumünzen. Wir sollten sie nicht verpassen.

Ann-Kristin Achleitner